核力与结合能(公开课).ppt

回顾 原子核的组成 原子核是由质子和中子组成的 质子和中子统称为核子 第五节核力与结合能 提出问题 质子间存在着巨大的库仑斥力 那为什么质子没有被排斥开 反而还紧紧的结合在一起呢 猜想 万有引力 一核力及其性质 质子相互间距r的数量级为10 15m 质子质量m的数量级为10 27kg 质子电量e的数量级为10 19C 万有引力常量G的数量级为10 11 静电力常量k的数量级为109 估算库仑力与万有引力之比 解 分析论证 结论 原子核中的质子要靠自身的万有引力来抗衡相互间的库仑力是不可能的 再猜想 在核子之间一定存在着第三种力 使核子能紧密的结合在一起 核力 一核力及其性质 核力 相邻的核子之间存在的强相互作用力 2 核力的性质 1 核力是强相互作用力 在原子核尺度内 核力比库仑力大得多 2 核力是短程力 作用范围在1 5 10 15m之内 核力在大于0 8 10 15m时表现为吸引力 且随距离增大而减小 在小于0 8 10 15m 核力表现为斥力 3 每个核子只跟邻近的核子发生核力作用 饱和性 4 核力具有电荷无关性 1 概念 二 原子核中质子与中子的比例 自然界中较轻的原子核 质子数与中子数大致相等 但对于较重的原子核 中子数大于质子数 越重的元素 两者相差越多 为什么会这样呢 核越来越大 有些核子间的距离越来越远 随着距离的增加 核力与电磁力都会减小 但核力减小得更快 所以 原子核大到一定程度时 相距较远的质子间的核力不足以平衡它们之间的库仑力 这个原子核就不稳定了 这时 如果不再成对地增加核子 而只增加中子 中子与其他核子没有库仑斥力 但有相互吸引的核力 有助于维系原子核的稳定 由于这个原因 稳定的重原子核里 中子数要比质子数多 三结合能 要将原子核拆散成单个核子 一定需要吸收巨大的能量 二结合能 当光子能量等于或大于2 22MeV时 这个反应才会发生 一个质子和一个中子结合成氘核 要放出2 22MeV的能量 结合能 将原子核拆散成单个核子需要吸收的能量或是将核子结合成原子核所放出的能量 思考 结合能越大原子核是不是越难被拆散 即 结合能的大小能不能反映原子核的稳定程度 三比结合能 如何才能反映原子核的稳定程度 U 235 Li 6 三比结合能 平均结合能 1 概念 原子核的结合能与核子数之比 2 理解 核子结合成原子核时 平均每个核子所释放的结合能 它也等于把原子核拆散成每个核子时 外界必须提供给每个核子的平均能量 2 比结合能 3 意义 它反映了一个原子核稳定程度 平均结合能越大 核越稳定 4 规律 较轻核和较重核的核子平均结合能较小 稳定性较差 中等质量核的核子平均结合能较大 稳定性较好 提出问题 如何求解原子核的结合能 3 3475 10 27 在物理上 原子核的质量总是小于组成该核的全部核子独自存在时的总质量 这两者的差额叫做质量亏损 四质量亏损E mc2 1 物体具有的能量跟它的质量存在着简单正比关系 对质能方程理解E mc2的理解 四质能方程E mc2 2 任何质量为m的物体都具有大小相当于mc2的能量 任何一部分能量也都与一定的质量向对应 3 物体的质量发生变化 相对应的能量也会变化 m1 m2 m3 根据质能方程E mc2和能量守恒定律 推导出 光子的能量 即氘核的结合能 并总结出求结合能的方法 方法 计算结合能时 先计算质量亏损 m 在带入质能方程求出结合能 四质量亏损 E 四质量亏损E mc2 3 3475 10 27 理论值 m mn mp m氘 0 0039 10 27kg 试验值 2 22Mev 推广 计算任意核反应中释放的核能 先计算质量亏损 m 在带入质能方程求出核能 核能 质量亏损 四质能方程E mc2 讨论与交流 四质能亏损E mc2 1 质量和能量是两个完全不同的概念 它们表征的对象不同 相互之间不能转化 下面说法是否正确 并说明理由 1 由质能方程E mc2 可推得 E mc2 这说明质量就是能量 质量可以转化为能量 2 质能方程揭示了质量与能量的不可分割性 方程建立了这两个属性在数值上的关系 决不是这两个量相互转化 2 关系式 E mc2中的质量亏损表明在核反应时质量不守恒 四质量亏损E mc2 讨论与交流 下面说法是否正确 并说明理由 2 关系式 E mc2中的质量亏损表明在核反应时质量不守恒 1 质量包括静止质量和运动质量两部分组成 2 E mc2中 m可以理解为静止质量的亏损 也可以理解为释放的能量 E对应的运动质量增加 3 因此质量亏损不能简单地认为质量减少 质量亏损的本质是静止质量的亏损转化为运动质量 是质量守恒在核反应中的客观体现 m1 m2 m3 E 目标检测 1 联合国将2005年定为 国际物理年 以纪念爱因斯坦对物理学的巨大贡献 对于爱因斯坦提出的质能方程E mc2 下列说法中正确的是 A E mc2表明物体具有的能量与其质量成正比B E mc2中的E表示发生核反应过程中释放的核能C 根据 E mc2可以计算核反应中释放的核能D E mc2表示发生的质量亏损 m转变成为能量 E释放出来 A C 2 当氘核和氚核聚合成氦核时会释放大量能量 设氘核的质量为m1 氚核的质量为m2 氦核的质量为m3 中子的质量为m4 则反应过程中释放的能量为 目标检测 A C D B C 核反应方程为 目标检测 拓展 3 一个质子和一个中子聚变结合成一个氘核 同时辐射一个 光子 已知